除了原子和空虚的空间，不存在任何东西，刚的说法都只是意见而已。
——德谟克利特（Democritus，约公元前460—前370）
当道尔顿沿着曼彻斯特周围的小山坡进行每天的散步时，他戴的宽沿黑帽和穿的深色衣服，与北英格兰的灰暗天空形成强烈对比。随着工业化进程的推进，城市烟囱里冒出来的烟和荒野阴湿的雾相混合，道尔顿发展原子理论，而首先提出原子论的是古希腊哲人德谟克利特。道尔顿对原子概念的重新审视为19世纪科学家打开了许多前行通道。道尔顿小心翼翼地测量了这一天气现象，并且注意到兰开夏郡气候发生的连续变化，他不仅对大气作研究，而且完成了许多实验。在他的邻居看来，他似乎是一个奇怪而孤独的人。但是对于科学来说，这位几乎没受过什么教育、离群索居、特立独行的贵格会信徒却是19世纪初伟大的人物之一，他提出了近代科学最基本的理论之一，这个理论将成为近代化学和近代物理学的基础。
道尔顿享有重建古代原子论的盛誉，他是在1803年一篇论文的结尾时首次提及这一理论，到1826年，他的名声已经广为传扬。这一年，在英国颇负声望的科学家学会——皇家学会——的会议上，化学家、物理学家戴维（我们将在本章后面提到他）声称：
“道尔顿先生的不朽荣誉在于，他发现了普遍适用于化学事实的简单原理……从而奠定了未来工作的基础……他的功绩将与开普勒在天文学的功绩并辉。”
然而，道尔顿并非第一个提出这一思想的人。
自然界的基本单位
古人曾经猜测，所有物质都是由几种基本元素构成的。希腊人认为是四种基本物质，他们称之为元素：空气、火、水和土。信仰阿育吠陀哲学的印度人从希腊引进了四元素理论，古中国的道家则提出了相生相克的五行理论，五行者，金、木、水、火、土也。
但是，大多数古代哲学并没有包括原子思想。公元前5世纪有一位希腊思想家名叫留基伯，想知道如果把物质分成尽可能小的粒子会是怎样。例如，如果把一块石头一分为二，然后再一分为二，依次进行，很快（比你想象的要快）就分成了碎屑。你还能把碎屑一分为二吗？能，留基伯回答（尽管据我们所知，他并没有再分）。你究竟能分到什么程度？留基伯想，最终你也许会得到最小粒子，而这一假想的微小物体，小到无法看见，他称之为原子（atom），这是一个希腊字，表示“不能分的”。
他的学生德谟克利特，在留基伯的基础上继续发展原子论，坚持认为原子之间除了虚空没有任何东西，所有事物，包括人的意识，都是原子组成的，原子根据自然定律机械地运动。这些想法今天听起来似曾相识，但是，留基伯和德谟克利特得出这一结论，不是靠实验，而是像希腊人经常做的那样，靠的是推理。后来的阿拉伯科学家拉泽斯也持类似于德谟克利特的原子理论，并且主张是原子构成了四种元素。到了11世纪，印度的科学家发展了一种独特的原子理论，可以两个原子结合成一组，也可以三个结合成一组。
17世纪，胡克认为，容器（如气球）的器壁受到的气体压力，也许是周围原子的随机碰撞引起的。他的同代人波义耳早就认识到，气体也许是理解原子的关键所在（他喜欢把原子叫做“微粒”）。他用一支U形管做的著名实验证明空气可以被压缩。他认为对此的恰当解释可以是这样：气体中的原子平常被虚空远远分开，然而在压力作用下却彼此靠近了。然而，它并没有证明原子的存在，因为其他各种解释对此也能成立。
后来18世纪的科学家发现，水是由氢和氧这两种元素组成（因此水不是元素）。他们还发现了我们现在称之为氧、氮和二氧化碳的气体，他们称之为不同类型的“空气”。当时还发现了其他一些元素，因此古代的元素观（包括元素的数目以及特性）似乎不再有效。但是所有物质都是由数目相对较少的元素组成这一基本观念仍然有效。
然而，原子论起初不被大多数科学家看好。因为两位有影响的希腊思想家柏拉图和亚里士多德并不同意留基伯和德谟克利特的思想。虽然存在少数持异议者，但他们并没有拿出令人信服的实验证据来证明原子的存在。
“新化学”
因此，早在道尔顿出场之前，原子论已经存在很长的时间，但从未有人找到一条途径来提供实验事实，证明这一不可见的基本单元确实存在。也从未有人找到一种方法来解释迄今已知不同物质所具有的不同化学特性。
然而，来自其他方面的途径为化学奠定了基础。拉瓦锡、普里斯特利和布莱克证明，化学也和物理学一样，测量方法至关重要。主要通过在实验前后的称重，他们得到了定量的实验结果，并且证明在定量分析的基础上可以建立完善的理论和结论。
拉瓦锡还发展了后来所谓的物质守恒定律——意思是物质不可能创生，也不可能消灭，仅仅可以转变。他还提出，化学元素就是用化学方法不能再细分的物质。18世纪末，化学家又发现了一大堆以前从不知道的新元素。
但是，只有道尔顿的原子理论才能为这些现象背后的结构提供解释。
道尔顿的原子
年轻时的道尔顿，似乎并未显示出他有震撼科学界的能力。他不是一位伟大的实验家，既无出众才华，也不善辞令，因而他没有机会上“最好”的学校。小学时上的是只有一间教室的学校，但令人惊讶的是，12岁时他接管了这所学校的整个教学。在空余时间，他自学过牛顿和波义耳的书。此后不久，道尔顿开办了自己的学校，但是他讲课欠佳，3年后就关闭了，因为所有的学生都离开了。
道尔顿和当时的许多科学家不一样，他在演讲方面很少取得成功。他带有粗俗的乡村口音，生硬的表达方式少有魅力，因此无法以演讲谋生，只能靠辅导和教学维持生活，同时把所有业余时间都放在科学兴趣上。（每当有人问他为什么不结婚时，他总是冷淡地回答：“我没有时间，我的头脑全是三角形、化学过程和电学实验，哪有时间去想其他事情。”）
他是贵格会教徒，严格遵守穿着简单的宗教习惯，这也许和他的色盲症有关，他只能选暗色服装。
道尔顿毅力非凡，做事有条不紊，具有百折不挠的精神和强烈的好奇心。他从1787年起写气象日记，毕生坚持，他对气体的研究作出了好几项贡献，他第一次对原子理论作出了清晰的叙述，这一切都是为了坚持不懈地钻研自然奥秘。
到18世纪末，空气的本质和它的组成仍然有许多未解之谜，道尔顿对此极感兴趣。就在他一生的日常散步中，他就作了几乎200000次气象观察，最后一次是在他78岁去世的那天。可以说，对气象的研究导致他涉及气体及其组成的研究。
空气大体上是由氧、氮和水蒸气组成的，这已经知道，但是为什么这一混合物有时很难分离呢？为什么更重的气体氮，不沉在容器的底部，或同样，沉在大气更低的区域呢？道尔顿用一个简单的自制装置，称量了组成空气的不同元素，得出了重要结论。
道尔顿发现，气体混合物的重量等同于各个成分单独测量时重量之和。他这样解释：
“当分别标记为A和B的两种弹性流体（气体）混合在一起时，它们的粒子相互间没有排斥力；A粒子之间互相排斥，但不排斥B粒子。因此，作用于任一粒子上的压力或总重，完全来自与它相同的粒子。”
这就是所谓的道尔顿分压定律（1801年发表），这一说法基本上可以归结为如下的思想：混合物中的不同气体相互不受影响。或者：气体混合物的总压强是每种气体单独存在时的压强之和。道尔顿当然知道波义耳对气体的工作，这一新的信息显然更明确地指向这样的想法：气体是由看不见的微粒组成的。
但是他继续往下想这个问题。是不是所有的物质——不只是气体——都是由这样的粒子组成的呢？普鲁斯特（Joseph Louis Proust，1754—1826）在1788年曾经指出，物质往往以整的单元组合。也就是说，化合物能够以4：3或者以8：1的比例结合。但是，化学反应却不会按，比如，8673克氧和117克氢的比例进行。一种方式可以解释这一所谓的定比定律，就是假设每种元素都是由微粒组成，为了尊重德谟克利特，道尔顿把这种微粒称为“原子”。（这个名称有点混淆，因为我们现在知道，道尔顿当然不会知道，原子并不真是“不可分的”。它们也是由看似不可分的更微小的粒子组成的。正因为这个原因，现在许多科学家宁可把道尔顿的原子称为“化学原子”。）道尔顿还建议，不同化学物质的原子是不一样的，某些早期原子论者也有这样的看法。但是并不像德谟克利特认为的那样，不同物质的原子只是形状上的差别。道尔顿注意到，它们的差别在于重量，他还确定了一个事实，即每种元素都有自己特定的重量。
Dalton"s 1808 symbols and formulaeHydrogenSodaAmmoniaNitrogenPot AshOlefiantCarbonOxygenCarbonic OxideSulphurCopperCarbonic AcidPhosphorusleadAluminaWaterSulphuric Acid
道尔顿给每一个元素设计了一个新符号，按原子量的上升次序排列，原子量是他自己根据以氢原子的原子量为1的概念计算的。
1803年9月，道尔顿以氢的重量为1作为基础，其他所有元素都是这个重量的倍数，提出第一份原子量表。后来，他又对此表进行扩充，使之包括21个元素。
由于道尔顿的工作，化学家开始认识到存在不同类型的原子，任何一种元素的原子都是相似的，具有与其他元素的原子不同的特殊性质和相对重量。
道尔顿进一步论证道，看来，两个元素可以化合成不止一种化合物。例如，碳和氧可以化合成今天我们所谓的一氧化碳，还可以化合成二氧化碳。但是，它们是以不同的比例化合，却仍然是整数（按重量，二氧化碳是3：4）。道尔顿猜测，一氧化碳也许正好是一个碳粒子与一个氧粒子化合（四个碳粒子的重量等于三个氧粒子的重量）。他估计，二氧化碳则是一个碳粒子与两个氧粒子结合（这个假说后来得到了验证）。这就是所谓的倍比定律，道尔顿于1804年发表。一位名叫希金斯（William Higgins，1763—1825）的科学家在1789年曾提出过这一思想，但是没有实验证据，直到道尔顿的出现。道尔顿的许多同事对这一定律感到兴奋，因为它使原子理论更容易被人们接受。
道尔顿敢于提出这一想法，是因为他注意到当元素组成化合物时，一种元素的一个或多个原子与来自另一元素的一个或多个原子结合形成一份化合物。例如，一份水总是由一份氧和两份氢组合而成。一份水的重量与两个氢原子加一个氧原子的重量相等。道尔顿测试了几十种化合物，总是得到同样的结果。
道尔顿的原子理论有可能解释各种元素是怎样形成化合物的。他说，原子集合在一起组成其他物质，在这一过程中，它们总是一个与一个，或者一个与两个或更多个，以整数的，而不是分离的方式化合——形成其他物质。
1808年，在《化学哲学新体系》（New System of Chemical Philosophy）一书中，道尔顿发表了这一思想。他声称，原子是化学元素的基本单元，每种化学原子都有自己的特定重量。
他写道：
“物体有三种不同的类型，或者三种状态，即所谓的弹性流体（即气体）、液体和固体，这已得到哲学化学家的注意。一个显著的例子就是水，水作为一种物体，在一定的条件下，就有这三种状态。我们认为，水蒸气是一种完全的弹性流体，水是完全的液体，而冰则是完全的固体。不言而喻，这些观察已经导致这一普遍被接受的结论，即：所有大小可感知的物体，不论是液体还是固体，都是由大量极小的粒子组成的，或者是被一种吸引力束缚在一起的原子所组成，吸引力的强弱视环境而定。……”
他继续解释，化学分解和合成只不过是这些粒子的重新组合——把它们相互分开，或者把它们结合在一起。正如拉瓦锡所说，在这一过程中，物质从不会被创生，也不会被消灭。道尔顿宣称：“我们可以产生的所有变化，仅仅在于把处于凝聚或者结合状态的粒子分开，以及把以前分开的再结合在一起。”这些见解就是今天仍然有效。
道尔顿的原子论正是在别人失败之处取得了成功，这是因为他提供了一种能够作出明确预言的模型。当然，他的理论中有些内容后来被抛弃了，但是，其核心内容保存了下来，这就是：每个原子都有特定的质量，在化学反应中元素的原子保持不变。
沿着这条路，道尔顿还引出了其他一些发现。他第一个发表这一结论：当一种气体与另一种气体在同样的温度下被加热至同一温度时，它们的膨胀率相等。他在1794年发表的文章中首次描述了色盲。
1833年，道尔顿的仰慕者和朋友们共同出资为道尔顿建立一座雕像。雕像坐落在曼彻斯特皇家研究所的前面。一些享有盛誉的学会给他荣誉，包括伦敦的皇家学会和巴黎的科学院。1832年，当他获得牛津大学的博士学位时，有幸晋见了英国国王。当时仪式上唯一的问题是要求他必须穿上宫廷服装，还要佩带一把剑，而这就直接违背了他所信奉的宗教的和平主义原则。但是最终他和英国的显贵人士达成了妥协，他可以穿牛津的外套，至于佩剑问题则不必强求。他或许知道，或许不知道，牛津的外套是鲜红色的——仍然与贵格会的习俗相违背。但是在这位色盲科学家看来，外套是灰色的。
道尔顿1844年去世，由于在原子理论和气体行为方面的工作，他受到了人们高度尊重。出殡那天，四万多人排列在街道两旁为他送行，他们再也不能作为学生进入他的课堂了。在道尔顿的一生中，他所取得的成就为19世纪物理学和化学的伟大进展提供了准备。足够幸运的是，他看到了人们对他贡献的认可。
电的连接
我们还会回到化学中原子和元素的传奇故事，不过，现在先到意大利，在博洛尼亚大学生物学教授伽伐尼（Luigi Galvani，1737—1798）的实验室作短暂停留。这是1771年的夏天，实验室里脏乱不堪，木桌上零乱地放着几十对青蛙腿（据某些记载，可能是用来做一盆汤）。
伽伐尼研究电如何影响动物神经和肌肉。伽伐尼是解剖学家和医生，不是物理学家。不知什么原因，伽伐尼突然想试试用起电机的火花来刺激蛙腿的肌肉。他发现这时蛙腿会发生痉挛。
伽伐尼这样推理：如果是电火花引起肌肉颤搐，那么就可以用来验证美国科学家富兰克林根据风筝实验提出的假设：闪电也是电。伽伐尼把蛙腿挂在铁栏杆上的铜钩下，准备检验这一假定。当雷电来临时，蛙腿果然颤搐了。但是又发生了这一现象：没有雷电时，蛙腿也会颤搐。伽伐尼发现，只要两种不同的金属同时接触肌肉，颤搐就会发生。
伽伐尼不能断定这一现象的原因。是金属引起颤搐？或者是肌肉，即便是死肌肉，仍然保留某种固有的“动物电”？也许伽伐尼的生物学兴趣导致他倾向于得出这一想法：蛙腿这样的动物组织也有电力。他在1791年发表了该结果。另一位意大利人伏打看到这一发现后，也开始做这方面的工作，从而导致了另一场革命。
伏打读了伽伐尼的文章，重复他的实验，又在自己身上做了另外一种实验。他把一片锡箔和一枚银币含在口里——一个在舌尖，一个在舌根，这两块金属是用铜线串起来的。他发现这一装置在他嘴里产生了明显的酸味。他正确地作出判断，酸味表示电荷的存在。
他写道：“值得注意的是，在锡和银相互接触时，酸味就一直存在……这表明电从一处到另一处的流动在不受阻碍地进行。”
他认识到，金属不仅是导体——电实际上就是它们产生的！伽伐尼错了：蛙腿显示的不是动物电，而是金属电。然而，伽伐尼还是起了重要作用，他的实验把人们的注意力引向这个事实，由此戏剧性地打开了研究电的大门。从那时以后的150年中，电成为一种有价值的科学工具，电的工业和商业用途数不胜数。伽伐尼的名字成了人人皆知的用语，例如由于害怕而受到刺激（galvanized by fear）；有些用词也与伽伐尼有关，例如镀锌铁（galvanizediron）和电流计（galvanometer，检测电流用的装置）。
1797年，伏打成功地得到了流动的电，它不是当时最容易得到的来自莱顿瓶的静态电。1800年，他给伦敦皇家学会写信，描述了他发明的第一个电池——电流可源源不断地从中产生。
戴维的电化学
在18世纪末，电对每个人都有着巨大的魔力，既包括科学界，也包括大众。人人都在谈论富兰克林用风筝丝线和闪电做的实验，社交名流也喜欢在野餐和聚会中做静电游戏。但是没有一个人清楚地知道自己做的是什么，或者为什么能这样做，部分原因就在于没有连续的电源。
由于伏打发明了所谓的伏打电池后，情况才不一样。伏打的工作不仅打开了探讨电的本性的道路（在理论物理学和工业两方面都产生了辉煌成果），而且为发现新的元素和探讨化学键的本质提供了突破性的工具。
现在我们的故事再回到化学。就在伏打向伦敦皇家学会报告他的发现之后不久，戴维开始思考如何把伏打电池用来解决某些化学问题。戴维，也许最有名的是他发现了两种元素，钠和钾，他还为矿工发明了安全灯。1800年，他（和杨一起，杨的工作将在本编第四章讨论）受雇于皇家研究所，这是一个新建立的研究实验室和教育机构。
被公认为电化学奠基人的戴维戴维是家里5个孩子中年龄最大的，他出生于1778年，是英国康沃尔郡西海岸的判扎斯城一位木雕家的儿子。1794年，年轻的戴维只有16岁，父亲去世，家庭负担只好落在他这位长子身上。于是，戴维在本地一位外科医生那里当了一段时期的学徒工，但是在19岁时他对实验化学、物理学以及相关领域发生了浓厚兴趣。他开始检验拉瓦锡夫妇在《化学基础论》一书中的思想，并得出某些革命性的结论。通过观察冰块的摩擦实验，他断言：热，不像大多数化学家所设想的那样，是“不可称量的流体”，而是运动的一种形式。不幸，戴维太年轻，还有一点粗心大意，对自己的实验结果过于自信。结果，科学界对他的看法相当冷淡，普遍持怀疑态度。对此戴维相当失望。
但是1798年，戴维成了贝多斯（Thomas Beddoes，1760—1808）的助手，贝多斯是多才多艺的化学家和擅长于用气体进行治疗的医生。在贝多斯的布里斯托尔气体研究所，戴维把他自己当做实验对象，就像实验室中的豚鼠那样。他自己制备一氧化二氮（又称为笑气，后来被牙科医生广泛使用），有一天他总共吸入了16夸脱。他后来说，这一天他“完全陶醉了”。他研究了这一气体的生理学效应，于1799年写了一篇详尽的论文，因此而成功地获得作为化学家的名望［还在社会名流中享有盛誉，这些名流中有两位诗人柯勒律治（Samuel Taylor Coleridge，1772—1834）和华兹华斯（William Wordsworth，1770—1850），特意到他的实验室里访问，欣赏他发现的“陶醉效应”］。
戴维关于一氧化二氮的科学论文引起了伦福德伯爵的注意，他是美国出生的一位传奇般人物，由于把热看成是一种运动形式，从而在18世纪末激起相当大的争论，因为当时大多数化学家和物理学家认为热是一种叫做热质的不可称量（也就是没有重量）的流体。尽管伦福德（原来的名字叫做汤普森）当时是在巴伐利亚政府任职，但他却打算在英国创建皇家研究所，普及科学，并把科学发现的成果运用到日常生活、艺术和生产之中。伦福德聘请戴维担任第一届实验室主任，这对于年轻有为的化学家来说，是一个极好的机会。
1800年，戴维在离开布里斯托尔去伦敦前，就已有了这一令他感到满意的想法，伏打电池是通过化学反应而产生电，很快他就猜测到，逆效应可能也是正确的，即反过来把电作用于化合物和混合物上，也会产生化学反应。
然而，在接下来的几年里，他在伦敦皇家研究所的职责使他离开了这个课题。为了赚一点钱，研究所开设了一系列高级科普讲座，戴维的魅力和激情使他成为当时最受欢迎的演讲者之一。（奇特的电学表演和一氧化二氮产生的“高潮”也许吸引了更多听众的注意力。）一方面是为了推行科学普及的工作，另一方面也是为了保证有固定的收入，但与此同时，研究所还集中关注农业科学、制革和矿物学，戴维关于这些课题的几篇出色论文，不但给研究所增添了光彩，也给自己提高了知名度。
1806年，戴维的机会来了。在短短5个星期里，他完成了108个电解实验，使电用于产生各种化学反应。这一年他在向皇家学会作的《论电的化学媒介作用》的报告中，提出了电解与电流作用之间的理论联系，对化学反应的电特性首次给出解释。他说，化学上物质的结合是因为原子间有相互吸引的电。
戴维还想到，也许可以用电来分解化合物从而分离出尚未发现的元素。许多年来科学家一直在对数种物质进行研究——石灰、氧化镁、碳酸钾，等等，它们似乎都是金属的氧化物。但是用加热或者其他能够想到的办法，都无法把氧分离出去。戴维在他的报告结尾作出预言，希望“新的分解方法可以引导我们发现物质的真正元素”。
为了试验这一想法，戴维建造了庞大的电池组，用250多块金属片组成，比伏打电池要强大得多。第二年，他用一小块稍稍浸湿的碳酸钾（由植物燃烬后的灰末浸水而得到）做实验，他从电池的负极引出绝缘的电极连在碳酸钾块的一个表面，正极连接另一个表面。这时他注意到，碳酸钾块“处于剧烈的活性状态”。碳酸钾块的两个接触点开始溶化，与正极相接表面释放出一种气体。另一个接触点，不释放气体，却开始生成“具有高度金属光泽的滴状物质”，看上去有点像汞滴，其中的某些在燃烧时会发出明亮的火焰，并且爆炸。戴维马上明白，他发现了一种新元素，他称之为钾。正如他的兄弟约翰在信中描述这个实验时写道，戴维“看到通过碳酸钾冒出了许多钾滴，当它进入大气时起火，他无法克制喜悦的心情，兴奋得在房间里欢呼跳跃，但很快他又使自己镇定下来继续做实验”。
几天后，戴维用同样的方法对碳酸水（现在知道它是氢氧化钠）做实验，结果发现了钠。他的想法得到了证实。与此同时，在斯德哥尔摩。贝采里乌斯和他的同事正在进行类似的实验，双方互有通信往来。贝采里乌斯发现，当他在加入石灰或重土的汞化合物中通入电流时，得到了一种“汞齐”或者某种合金，是其他金属与汞的合成物。这给戴维又一个启示，不出几个月，戴维对贝采里乌斯描述的汞齐（以及其他物质）猛烈加热，结果从中分离出了镁和钙；从一种矿物中分离出了锶（strontium，该矿物质产于苏格兰的一个城镇，其名即由此而来）；从重土（baryta）中分离出了钡（barium）。戴维以发现众多元素而声名远扬。1810年，戴维在测试一种名叫次氯酸的绿色气体时，发现一种元素，他称之为氯（因为它呈绿色）。
1812年对于戴维来说是重要的一年，这一年他出版了《化学哲学原理》（Elements of Chemical Philosophy）。很快他又出版了应用性更强的《农业化学原理》（Elements of Agriculture Chemistry）。由于他的成就，1812年4月他被封为爵士，不久娶了富有的苏格兰寡妇阿普勒斯。1813年，他被任命为皇家研究所教授，随即去欧洲旅行，随同的有新婚夫人和不久前选用的年轻助手法拉第。法拉第的故事将在19世纪后半叶详细展开。尽管当时英国与法国正在交战，但正如戴维所说：“科学家之间永远没有战争。”拿破仑欢迎戴维的访问。在这期间，戴维和法拉第访问了欧洲大陆的许多著名科学家。对于法拉第来说，这次旅行使他有幸领略科学前沿的风貌。
1820年，戴维成为皇家学会会长，开始研究船底铜罩的防腐蚀方法，但是他的健康开始不佳，1823年后长期在瑞士居住，一直到51岁去世。在那里他受到高度尊敬，获得国葬的礼遇。
这一年是1829年，对于化学来说，新的世纪刚刚开始。新的挑战正在前头：为大量出现的新元素理出个头绪，继续寻找更多的新元素，以及弄清与碳元素相结合的一大族分子。所有这些领域的进展不久就会到来。
复杂而有序的化学世界
到了1830年，已知元素的数目已猛增至50多个。显然，组成宇宙的不再是那少数“几种简单元素”，化学中到处充满混乱。
首先，人们不是用同样的符号表示同样的事情。许多奇怪和神秘的符号仍然留存，那是很久以前炼金术士从占星术那里借用来的。金的符号是一个圆圈，中间一个点；银的符号是月牙；硫的符号是向上的三角形；锑是小王冠。这些符号不具有实际意义。道尔顿提出一种系统，是用不同的圆来表示每一种元素，但是这仍然不便于记忆。1826年，贝采里乌斯想到一个简单的方法，就是用各个元素名字的第一个字母作为它的符号。O表示oxygen（氧），N表示nitrogen（氮），s表示sulfur（硫），如此等等。当第一个字母相同时，加上第二个字母以示区别。于是钙（calcium）是Ca，氯（chlorine）是Cl。这一系统至今仍在运用。不过在语言之间仍然存在某些混乱：德国化学家称氮为Stickstoff，而法国人称之为azote，英国人称之为nitrogen。因此，贝采里乌斯以拉丁化的名字作为依据，这样的符号就能在国际上通用。母语是英语的人们很幸运，大多数元素从其拉丁化的名字可以认得，只有少数例外，诸如金（Au）的英文字是gold，而拉丁文是aurum；银（Ag）的英文字是silver，而拉丁文是argentum；钠（Na）的英文字是sodium，而拉丁文是natrturn。
凯库勒（Friedrich Kekulé von Stradonitz，1829—1896）也提出一种设想，这就是用结构图来表示分子中原子的排列。例如在凯库勒的系统中，水（H2O）变成了H—O—H。同样地，氨（NH3）的三个氢原子围绕一个氮原子组成一个三角形。不久凯库勒的结构图开始流行。
但是即使对于最普通的化合物，它的分子式也颇有争议。各种不同元素的原子量无法取得一致，用分子式表示时，分子里的原子非常混乱。像醋酸这样平常的化合物，不同派别的化学家竟采用不同的表达式，数目竟多至19种。
卡尔斯鲁厄会议
该是采取行动的时候了。处于运动中心的是凯库勒，他发起了第一届国际化学会议，试图澄清化学中的混乱。第一届国际化学会议，于1860年在德国一个小城卡尔斯鲁厄举行，它位于莱茵河边，对岸就是法国。共有140位代表参加，包括当时大多数杰出的化学家。
但是他们却是一群固执己见、互不让步的科学家，会议一开始就争议不休，没有得出任何结论，对原子量也没有共识。这时，坎尼扎罗（Stanislao Cannizzaro，1826—1910）登上了讲台。
坎尼扎罗是一个热情奔放、好争善辩的人。1848年他从家乡意大利的西西里岛逃到法国，为了躲避那不勒斯政府的迫害，因为他参加反对那不勒斯反动统治的起义，但是起义失败了。在法国，他对化学的混乱局面有过相当深入的思考。1858年，他发表一篇论文重提阿伏伽德罗假说，这个假说已被人们忘记几乎50年了。它说的是，（在同样温度下）同样体积的不同气体一定含有相同数目的粒子。他参加卡尔斯鲁厄会议就是为了给原子量、阿伏伽德罗假说和原子与分子的分界给予有力的辩护。他说，可用阿伏伽德罗假说确定气体的分子量，运用盖吕萨克的化合体积定律，再用贝采里乌斯的原子量，三者相结合就可以解决许多问题。他还采用小册子的形式来散发自己的演讲稿，说服了许多与会者，会后不久又说服了更多的人。特别是其中有一位回到俄罗斯后，对这个问题做了大量思考。
门捷列夫的单人牌
门捷列夫，具有一头飘逸的长发，还有一把灰色的胡须，威武挺拔的姿势，看起来更像是一名布道师，他曾经独自操纵一个篮子，挂在巨型气球下升空。这是1887年的一天，他希望从最靠近、最有利的位古怪的俄国科学家门捷列夫发展了一种概念，叫做“周期表”，它帮助化学家认识元素之间的系统性关系。置拍摄日食情景，这就意味着要有一个单人飞行气球。面临难得的日食，他可不想放弃，于是毅然一个人起飞，照过相后着陆，然而当时他连最起码的操纵方法都不知道。他行为夸张，但富有原则和勇气，不怕怀疑和反对，不怕政治压力，也不怕驾驶飞行器。作为一个西伯利亚土著人，他就像一个巫术师那样，把化学家于18年前开始陆续发现的元素整理得井然有序。1955年，在他死后近50年，他对化学和物理学的特殊贡献获得了完美的奖赏：一种新发现的元素被命名为钔，作为对他的纪念。
门捷列夫的母系也许有蒙古人的血统。他出生于一个大家庭，他是家中最小的一个孩子，他的祖父是西伯利亚第一份报纸的出版者，父亲是当地中学校长，机灵的母亲经营一家玻璃工厂。门捷列夫童年时曾从一位流放到西伯利亚的政治犯那儿学习科学。不幸的是，门捷列夫的父亲在他十几岁时就去世了，不久之后，母亲的玻璃厂也毁于火灾。于是，当大多数孩子都长大后，1849年，母亲带着这个最小的孩子来到俄罗斯的大城市，以便让他进入大学。在圣彼得堡，在父亲生前的一位朋友的帮助下，门捷列夫被大学录取。
大学毕业后，门捷列夫于1859年去法国和德国读化学研究生。在那里，他和本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811—1899）一起工作，并在卡尔斯鲁厄参加了第一届国际化学会议，坎尼扎罗（Stanislao Cannizzaro，1826—1910）关于原子量的雄辩使他着迷。1861年他开始在圣彼得堡大学任教，1866年被任命为技术化学教授。
有些科学家猜测，原子量的接近也许与元素间的相似性有关。例如，钴和镍的原子量如此接近，以至于大多数化学家当时都无法区分它们，而且它们的特性又如此相似。但是这一假说也存在问题。以氯和硫为例，原子量分别大约为355和32，但一个是黄绿色气体，一个却是黄色固体——惊人的不同！于是，化学家开始寻找另外的关系。一些化学家根据元素之间在特性上的相似性，多年来一直在琢磨一个“三和弦”的设想，或者把某些看来是一“族”的元素归在一个类里。早在1817年，德贝赖纳（Johann Wolfgang Dobereiner，1780—1849）就已经注意到，某些相似元素组成的类里，原子量之间有某种相关性——处于中间位置那个元素的原子量等于其他两个元素原子量的平均值。例如，在钙、锶和钡这一“三和弦”中，锶的原子量（当时测定的是88），大体上是钙（40）和钡（137）的平均值。同样地，锶的熔点（800℃）也在钙（851℃）和钡（710℃）之间。钙在化学反应中相当活跃，钡更活跃，而锶则介乎其间！据此还可列出元素的其他特性，表明锶确实位于钙和钡的“中间”。这种“三和弦”关系很是迷人，其他科学家也参加了进来。
1864年，伦敦的工业化学家纽朗兹（John Alexander Reina Newlands，1837—1898）第一个注意到，按原子量排序的元素表显示出这样一种模式：“从指定的元素开始，第八个元素是第一个的某种重复，就像音乐里八度音阶中的八分音符。”他称这一发现为“八度音阶定律”，但是，当他在化学家的会议上宣布这一思想时却遭到了嘲笑。有一位物理学教授福斯特（George Carey Foster，1835—1919）嘲笑说，为什么不按字母排列，看看你会得到什么模式？纽朗兹的元素表固然有些错误，但事实上他看出了一种有用的模式。而福斯特，尽管是一位能干的物理学家，却因为发出嘲弄而使自己受到嘲弄——这个例子表明，一个今天看来似乎难以行得通的科学思想，也许可以引导出明天的新见解，考虑欠周的嘲弄回过头来却是对嘲弄者本人的嘲弄。20多年后，皇家学会颁给纽朗兹戴维奖章，以奖励他的工作。
但是，针对元素排序的思想，门捷列夫的工作却是最具创造性，并且得出了逻辑性最强的结论。门捷列夫喜爱一种单人纸牌游戏。于是，他把所有已知元素、它们的符号、原子量和特性标注在卡片上。然后，他把它们分组排列。结果发现，如果把它们按原子量的增加来排序，类似的特性就会周期性地出现。例如，他发现氢（原子量为1，在他的表上是第一位）、氟（表上第9位）和氯（第17位）相隔都是八位，跟纽朗兹的“八度音阶”相似，具有相似的特性。他尝试把所有具有相似特点的类放在同一个竖栏中，这样他就得到了一个表，其中原子量从左上到右下逐渐增加。
但是门捷列夫的巨大胆量在于，当元素不适合表中的位置时，就像玩单人纸牌游戏一样，他意识到，也许没有把所有的牌拿在手中——有些牌可能仍然在牌盒里。所以，如果有一个空缺需要具有某种特性的元素来填充（但无人知道有这样的元素），他就在元素表中留一个空缺——它们还在纸牌盒里有待发现呢。他甚至还给其中一些起了名字：准硼、准铝和准硅。准铝位于铝下面，准硅位于硅下面。他还预言了它们的特性。这一工作发表于1869年，立刻被翻译成了德文（在这方面他远比以前的其他俄国科学家来得幸运，因为俄国人的工作没有及时得到翻译，往往许多年后才被别人知道）。但是在欧洲，人们都认为他是疯子，甚至有人轻蔑地把他当成俄国巫师。
元素留下的指印
正当门捷列夫从事周期表的研究时，一件神奇的新工具分光计问世了。事实证明，它不仅对化学家很有用处，而且对于天文学家和物理学家也很有用，今天依然如此。
这个想法最早出现于19世纪初一位年轻的光学技师夫琅和费（Joseph yon Fraunhofer，1787—1826）的身上。他是釉工的儿子，11岁时成了孤儿，给一位光学技师当学徒。在一个悲惨的日子里，他居住的楼整个倒塌，他是唯一的幸存者。但幸运的是，巴伐利亚的选帝侯马克西米利安一世（Maximilian IJoseph，1756—1825）得知这一悲惨事件后，给予他足够的钱，让他自己开业。
由于在工作中精益求精，夫琅和费为自己赢得了国际声誉，有好几位著名天文学家用上了他的棱镜和光学仪器。1814年，当他测试自己制作的透镜时，用到了一只棱镜——一个多世纪以前牛顿正是运用棱镜，把太阳的白光分解成光谱中的各种颜色。当夫琅和费这样做时，他注意到有一些奇怪的黑线，似乎打断了太阳光谱——实际上他至少看到了600条黑线，有的宽些，有的窄些，把整个光谱分成了好几部分。而当时牛顿用的棱镜质量比较差，由于玻璃的缺陷，造成图像模糊，因此没有看到这些黑线。
夫琅和费知道，光谱中的每一种颜色都对应于一种独特的波长。越接近光谱紫端，波长越短，而更长的光波处于红端。夫琅和费注意到，光谱中显著的黑线总是处于同样的位置。这些奇怪的黑线就好像是某种标志，它们肯定具有某些含义。他试着采用不同的光源——从太阳直接发出的光和经过月亮和行星反射的光，甚至星光。他发现，不同的星体似乎留下了不同的密码，不同的指印。但是没有人能够破译这些密码，夫琅和费在1826年死于肺结核，享年只有39岁，他没有能够找到这些黑线的含义。为了纪念他，人们把那些光谱线称做“夫琅和费线”。
半个世纪之后，海德堡大学物理学家基尔霍夫（Gustav Kirchhoff，1824—1887）和本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811—1899）发明了一种他们叫做分光计的仪器——光线通过一条狭缝后再穿过棱镜，狭缝控制光源，结果不同的波长位于不同的位置，然后与标准刻度比较，就更易于区分和解释。
基尔霍夫和本生用本生设计的特殊燃灯（这种灯本身光线微弱），把各种不同的化合物加热到发光状态。他们注意到，每种化合物发出的光都具有独特的颜色标志。例如，如果把钠蒸气加热到发光状态，就会产生一条双黄线，这就是它的指印。一旦所有元素的指印都弄清，任何矿物或化合物——实际上就是任何物质——经过加热其成分都可以用这个方法来分析。更重要的是，分光计还可以鉴别特别微量的元素。
1859年10月27日，基尔霍夫和本生第一次公布他们的发明，分光计不可避免地开始一个接着一个地发现新元素。1860年5月10日发现铯，因为它发射清晰的蓝光而得名。第二年发现铷，红色谱线道出了它的存在。新一轮元素开始涌现。
1875年，一位名叫布瓦博德朗（Paul Emile Lecoq de Boisbaudran，1838—1912）的法国化学家，在研究来自比利牛斯山脉的一大块锌矿石时，发现一条他从来没有见过的光谱线。他是在1859年首批进入这一激动人心的新领域中的研究者之一，在用分光计经过长达16年的搜寻之后，终于有了结果。他称之为镓（gallium），取自法兰西的拉丁文“gallus”（也可能是取自他自己的名字，因为Lecoq在法文中的意思是“公鸡”，拉丁文正好是gallus）。当门捷列夫读到新元素的描述时，欣喜若狂。镓的特性和他预言的准铝几乎完全一样！新元素很容易就放进周期表中属于它的位置。突然之间，每一个人都开始认真对待门捷列夫了。光谱学这一有力武器取得了胜利。
1879年发现另一种元素钪（scandium，因斯堪的纳维亚半岛命名），它的特性几乎完全适合门捷列夫给准硼留下的位置。1886年发现的元素锗（germanium，因德意志命名），填补了准硅的空缺。至此，门捷列夫周期表得到了普遍承认。他以一个优秀科学家的工作方式，在似乎混乱无章的地方认出了自然的秩序。
但是没有人知道为什么存在这样的秩序，以及这种周期性。这需要知道原子核和它的结构，但19世纪科学家还没有准备放弃原子不可分的思想。随着元素的数目在不断增加，化学家似乎离他们最初所要发现的自然界的少数基本单元越来越远了。元素的数目很快超过了90。（20世纪和21世纪这个数目还会增加，许多新元素是核化学家发现的。）
在19世纪最后的5年中，著名英国物理学家斯特拉特（John William Strutt，1842—1919，更为人知的名字是瑞利勋爵）和他的助手，苏格兰化学家拉姆塞（William Ramsay，1852—1916，后来被封爵士）重复了100年前卡文迪什做的实验，这一次是用分光计。结果他们发现了氩。拉姆塞第二年又发现了氦，并且和特拉佛斯（Morris Travers，1872—1961）一起，发现了惰性（完全不起化学反应）气体氖、氪和氙。可是门捷列夫周期表没有给这些元素留下空缺。这样一来，周期表是否不再有效？不，回答很简单：这位伟大的纸牌游戏者在周期表的右侧遗漏了一整条竖栏，这些元素正好放在这一栏里。
有机化学的诞生
就在道尔顿、戴维及门捷列夫成功改造无机化学的同时，另一个更为混乱的领域也在经历重大变革。1807年，贝采里乌斯把来源于生物体的一类化合物称为有机物，而把不是来源于生物体的另一类化合物称为无机物。他认为，有机物的功能与无机物相比，受完全不同的规律控制，在许多方面差别极大。许多科学家，包括贝采里乌斯，假设这一差别来自某种“活力”的存在，这种活力仅与有机物相关，但只有生命体或曾经的生命体中才能找到或产生这种有机物。从未有人曾从无机物中创造过有机物。按照贝采里乌斯的说法，以后也不会有。
随后在1828年的一天，贝采里乌斯的学生维勒（Friedrich Whler，1800—1882）正在实验室里对氰化物作研究，他给氰酸氨加热。结果使他大吃一惊：他得到的化合物酷似尿素，但这在当时看来是不可能的事情，因为尿素作为尿液的一个组成部分，是哺乳动物的含氮排泄物，无疑是有机物。维勒有些难以置信，于是，他再测试他所制备的物质，证明确是尿素。1828年2月22日，他正式通知贝采里乌斯，他已从无机化合物中合成一种有机化合物。
贝采里乌斯是一个相当固执的人，他认为氰酸氨本身可能就是有机物，而不是无机物。这样一来，维勒的发现也许不那么确定。但是别的化学家却被他的成就激励，纷纷以其他无机化合物作为实验对象，结果发现有机化合物的确可以由无机材料合成得到。1845年，科尔比（Adolph Wilhelm Hermann Kolbe，1818—1884）第一次成功地从化学元素直接合成了有机化合物（醋酸）。这说明也许根本就不存在什么“活力”。
但是，如果真的不存在活力，为什么比奥（Jean-Baptiste Biot，1774—1862）在1815年发现，他在实验室里产生的酒石酸不能使光发生偏振（光波的横向振动偏向于某一方向），而葡萄产生的酒石酸却能使光偏振？这两批酒石酸具有同样的成分，同样的比例和同样的化学式。19世纪20年代，李比希（Justus von Liebig，1803—1873）和维勒发现了更多这样的配对物。1830年，伟大的命名者，贝采里乌斯给具有同样化学式却有不同行为的成对化合物起了一个名字，叫做异构体。关于这一复杂性，维勒在1835年给贝采里乌斯的信中写道：“在我看来，有机化学就像是热带的原始森林，充满了令人惊异的东西。”
巴斯德对比奥发现的酒石酸异构体这一奇怪的化学现象首次进行了认真的研究。他把实验室合成的异构体分离成单个晶体，并证明它实际上还是会使光发生偏振的。只是有些沿一个方向偏振，另一些沿相反的方向。1848年，他有了答案。在实验室制成的物质中，两种晶体相互抵消，因此整个物质不使光发生偏振。
与此同时，凯库勒的结构式有助于解释这些复杂的有机化合物的内部构造，它们中的某些具有双键和三键构造，凯库勒就用两重波折号和三重波折号表示。异构体具有同样的原子和同样的比例，但联结方式不同。例如，普通乙醇可以用图1表示，而具有相同数目氢、碳和氧原子的二甲醚则可以用图2表示。
图1普通乙醇的结构图2二甲醚的结构
1858年凯库勒指出，碳原子相互间可以直接连接（不像大多数其他原子），形成复杂的长链。他解释说，因为碳原子是四价的，它正好可以与四个其他原子化合。他还搞清楚，通过研究反应产物，可以确定一个有机分子的分子结构。
1861年，凯库勒出版了《有机化学》教科书的第一卷。在书中，他用简单明了的作法终止了长期以来纠缠不清的争论。他定义有机分子为含碳分子，无机分子为不含碳分子，根本不涉及它是否有生命或曾经有生命。这对有机分子含有某种莫名的、不可定义的“活力”论观念是一种沉重打击，并为审视有机化学领域提供了有用的新方法。
抓住环状
有机化学还有一个问题没有解决。没有人能够解释苯（C6H6）的结构，这是1825年法拉第发现的煤焦油产物。当然，即使不知道苯的结构，珀金（William Perkin，1838—1907）和其他致力于染料合成的研究者仍然作出了进展。但是，没有人能够解释这些原子为什么能够互相结合在一起，正像普通分子的结合方式一样。
1865年的一天，凯库勒梦见了环的结构，他后来这样写道：
“我正坐着，在写我的教科书，但工作没有进展，我理不出个头绪。我转过椅子朝向炉火，开始打起瞌睡。原子又一次在我的眼前跳跃。这一次背景上出现的是大量更小的组合。我那心灵的眼睛由于反复观看这类东西，现在可以分辨更大、更复杂的结构：长长地排成一列，有时挤在一起，缠绕和扭曲成蛇形运动。看！那是什么？有一条蛇咬住了自己的尾巴，在我眼前快速旋转。仿佛是被一阵灵感惊醒，就在这个晚上，我形成了这一假说。”
凯库勒发现的正是我们今天所谓的苯环，一种由碳和氢组成的分子结构，它不是敞开的链条，而是封闭的六角形，单键和双键交替快速转换。
凯库勒的苯环荷兰化学家范托夫（Jacobus Van"t Hoff，1852—1911），把凯库勒的许多结构性想法转变成三维模型，从而可以澄清许多有机化学概念，其中包括比奥和巴斯德研究的异构体之谜。凯库勒的结构见解使有机化学走出世纪之初那种难以置信的混乱，尽管从那以后，又有许多理论上的改进，但是他的思想仍然指引着化学家的合成研究，并且提供一个模型，使有机分子更为形象化，从而对化学反应作出预言。
对于化学来说，19世纪是丰产的年代。有两个重要的新工具——电学和光谱学，使化学家获得了新方法来处理和观察物质，从而使这门学科大大改观，其情形就如同望远镜用在天文学和显微镜用在生物学一样。已知的元素数目几乎翻了一番。门捷列夫的周期表使这些元素各归其类，并且为未来在19世纪和20世纪之交以及20世纪初化学和物理学的大突破提供必要的基础。有机化学的诞生给应用化学打开了巨大工业潜力，其中包括新染料和新材料的发明。
最重要的是，原子论的诞生（或者宁可说是再生），使得道尔顿、阿伏伽德罗以及他们的追随者不仅认识到气体的特性，还开始把握了化学的规律——物质是怎样进行化学反应，又是怎样相互结合的。
当然，在道尔顿提出原子论之前，或者甚至到19世纪末，并不是每个人都能认同原子论。具有高度影响的物理学家马赫（Ernst Mach，1838—1916）直到去世时还在反对原子论。他说，观察到两份氢气跟一份氧气结合形成了水蒸气是一回事；假设两个看不见的氢原子跟一个看不见的氧原子结合形成一个也看不见的水分子，则完全是另一回事。但是大多数科学家还是承认，原子论至少提供了一个极好的模型，通过以符号代表原子和它们之间的相互作用，可以使讨论变得更清晰。
原子论还打开了通向这个世纪一个伟大的关键性发现的道路：对热的本质和热力学的理解——几个世纪以来这个领域一直笼罩在神秘的乌云下面。
不灭的能量
蒸汽和电，这是两股伟大的力量，推动了19世纪的车轮，振奋了19世纪的人心。就从19世纪开始，所有工业都受到瓦特的蒸汽机的影响，它还激发了人们对能量的理论研究。到了19世纪中叶，运输也得到了改造，英国所有主要港口都已由蒸汽铁路连接起来，北美大陆十字交叉的铁路网有近30000英里的铁轨。到了19世纪末，电已经开始照亮世界，并且提供工业生产动力。
科学家们深入到这两大能源的核心之处，从而找到了一条通往自然奥秘的珍贵路径，借助于它，西欧、不列颠群岛、北美以及整个世界的工业发展面貌焕然一新。关键在于，正如布莱克及瓦特在上一世纪所发现的那样，要理解热及其本质和行为，最重要的是，理解热力学——研究热能怎样转变为其他形式的能量，其他形式的能量又是怎样转变为热能。
早期工作
对于18世纪大多数化学家和物理学家来说，热是一种看不见的“不可称量的”（即没有重量的）流体，叫做“热质”。当冰融解时，失去热质；当水结冰时，得到热质。水和热之间发生的是某种化学反应。这一理论有时也叫做热的物质论，用来解释某些现象似乎很有效：把一个热的物体放在冷的物体旁边，热似乎从一个物体流向另一个物体，就好像是流体一样。还有，物质加热时会膨胀，就好像有流体进入一样。热质似乎是明摆着的事情，所以很少有科学家认为有理由去质疑它。
但出生于美国的巴伐利亚选帝侯伦福德伯爵就是一个例外。1800年左右，他还在年青一代的英国科学家中选拔了新秀——其中包括戴维和杨。伦福德如此推测，用钝工具给炮筒钻孔应该比用锐工具钻孔产生更少的热（释放更少的热质）；用锐工具应该释放更多的热质，因为它们切削材料更为有效。但事实正好相反。为了解释这一点，伦福德认为，热必定是一种运动，但这个思想不是一下子就能被人们接受。
然而随着19世纪的来到，道尔顿的原子论开始使这一思想变得可信，这就是，在一个充满气体的气球中，或者在一桶水中，或者在一块冰中，都有看不见的微小粒子在振动——振动得快，就表现为热；振动得慢，就表现为冷。
沿着这一思路就有了热动说，最早是由伯努利（Daniel Bernoulli，1700—1782）在1738年提出的，但是当时对原子和分子这样的概念尚未认真考虑。在道尔顿之后，也有少数其他的人试图提出这一理论，但他们都不太知名，也没有得到更多关注。
与此同时，法国科学家正在琢磨瓦特蒸汽机的理论基础。瓦特是一个工程师，他的英国朋友都是实干家，许多人都是自学成才。而法国，因为有巴黎的综合理工学校，因而法国人更擅长理论科学，偏爱热质说。傅立叶（Jean-Baptiste-Joseph Fourier，1768—1830）是一位对数学物理学带来强烈影响的物理学家，他在1822年发表论文《热的解析理论》，提出一种数学分析的新方法，首次清晰地阐述了科学方程必须具有一套自己的单位——这一思想被称为“傅立叶理论”。他还考察了通过固体的热流和笛卡儿提出的量纲理论。但是傅立叶对与热有关的机械力不感兴趣，实际上，他认为“动力理论”和“自然哲学”属于两个互不相关的不同领域。
与此同时，在德国，热动说正在逐渐奠定基础。化学家李比希的学生莫尔（FriedriehMohr，1806—1879）在1837年写道：
“除了已知的54个化学元素以外，在自然界里还存在一种媒介，叫做力；它在合适的条件下可以表现出运动、凝聚、电、光、节奏和磁……因此热并不是一种特殊的物质，而是物体最小粒子的振荡运动。”
所有这些思想都围绕着一个尚未得到充分证实的中心思想。正是一位名为焦耳（James Prescott Joule，1818—1889）的执著实验家为这一概念给出了定量数值。
焦耳的测量
焦耳着迷于对热的研究，他测量了每件东西的热。甚至在度蜜月时，他也不忘测量他和新婚夫人游览的瀑布顶上的温度，焦耳并与瀑布底部的温度相比较。
焦耳在1847年完成的经典实验中，先是测量一桶水的温度，然后把带翼的轮子放进水中。再让翼轮转动很长的时间，使水的温度逐渐升高。焦耳测量了翼轮所做的功和水温的升高，从而算出多少机械能产生多少热，如今这个值被称为“热功当量”。焦耳用了十年甚至更多的时间，测量了他能想到的各种过程所产生的热——包括机械的、电的、磁的——以及他能想到的各种媒介。
在焦耳之前还有其他人也试图获得热功当量的数值。伦福德做过，但数值偏高。迈尔（Julius RobertMayer，1814—1878）也计算过，但没有焦耳的准确。焦耳是当时做得最好的一位，而且他附有大量实验数据。为了对他表示敬意，功或者能量的一个单位叫做焦耳。
焦耳的工作直接导致了对热力学第一定律的承认，这是一条基本原理，因此，他也被看做是这一定律的提出者之一。
第一定律
于是，在拉瓦锡的物质不灭原理之外，1847年，亥姆霍兹（Hermann von Helmhohz，1821—1894）又增加了一条补充定律：“自然作为一个整体，拥有的能量不可能增加，也不会减少。”宇宙中的能量正如同物质一样，既不能创生，也不能破坏，能量也是如此（迈尔曾于1842年提出过能量守恒概念，要早于焦耳或亥姆霍兹的工作，但它所获得的证据支持不如亥姆霍兹）。
这一思想就叫做热力学第一定律，有时可简单归纳为：“无不能生有”，或者用另外一句话来说，不能以少获多。也就是说：
亥姆霍兹是能量守恒原理的奠基人之一，他也因对眼科学、解剖学和生理学的贡献而各大名热能输入=有用能+废能
正如布莱克和瓦特所见，热机（瓦特的蒸汽机是第一个成功的例子）可以把气体中储存的热能转变为涡轮和活塞中的动能。也就是说，由于加热后气体膨胀，储存在蒸汽中的热能可以转变为运动。这个系统中最初的能量来源是燃料——木材或者煤炭——中的化学势能，用它产生了蒸汽。
在物理科学的历史中，热力学第一定律是最具革命性的思想之一。正如科学史家克朗比（Alistair Cameron Crombie，1915—1996）所说：“它的含义和它提出的问题，主宰了从法拉第和麦克斯韦的电磁学研究到1900年普朗克引入量子理论这段时期里的物理学。”随着20世纪爱因斯坦物理学的出现，将会证明，能量和物质概念需要放到一起来考虑，显而易见的是，能量有时可以转变为物质，物质也可以转变为能量。
正如麦克斯韦在对亥姆霍兹的颂词中所写：
“要评价亥姆霍兹《论力的守恒》这篇论文的科学价值，我们必须追问热力学和近代物理学其他领域最伟大发现的发现者们，这篇论文他们读过多少遍，在他们的研究生涯中，他们多少次感受到，亥姆霍兹有分量的叙述作用于他们的心头，就像是不可阻挡的驱动力。”
在他的晚年，亥姆霍兹成了量子理论的创建者普朗克（Max Planck，1858—1947）的导师，通过普朗克，亥姆霍兹的影响在20世纪还将进一步延伸。
第二定律
不同于傅立叶，法国工程师卡诺（Nicolas-Léonard Sadi Carnot，1796—1832）的研究方法更为实际，他把蒸汽机与水轮联系在一起——这一类推有些问题——起初他提出的是这一想法：蒸汽机锅炉释放的克劳修斯热量等于更低温度下冷凝器获得的热量。也就是说，没有热量损失。虽然事实并不是这样，但是卡诺在火发出的热、蒸汽的压强和机器的机械运动之间建立了重要联系。他认识到，一台蒸汽机的能量输出取决于锅炉的高温和冷凝器的低温之差以及流经两者的热量。他猜测，宇宙的总能量是常数，能量只是从一种形式转变为另一种形式。遗憾的是，卡诺在36岁时死于霍乱，没有机会进一步发展他的思想。他的思想于1824年在他唯一的著作《论火的动力》（On the Motive Power of Fire）中发表，对后人产生相当深远的影响。
德国物理学家克劳修斯（Rudolf Clausius，1822—1888）不是实验家，他的杰出天赋表现为善于对其他科学家的结果作出解释和进行数学分析。1850年，克劳修斯得出结论，热不能自己从一个物体传给温度更高的另一个物体。这一陈述后来就叫做热力学第二定律，被认为是19世纪物理学另一项重大发现。
爱尔兰出生的汤姆生（William Thomson，1824—1907），后来在苏格兰以拉格斯的开尔文勋爵闻名，这两个称呼常常并用。他综合了卡诺和焦耳的思想，在1851年发表论文，论述热转变为机械功的可逆性，从而对热的动力学理论也作出了贡献。这是热力学第二定律的另一种表达方式。由于这一贡献，与克劳修斯一起，他也被认为是这一原理的发现者之一。
热力学第二定律可以简单说成是：不能打破平衡。假设有一位潜水员站在深水池旁，此时潜水员具有重力势能，当他或她跳下去时，能量转变为动能，当潜水员撞击水面时，动能又转变为水的热能。但这个过程不能自发地逆转（至少一般不能），能量转变有特定的方向。尽管有可能看到潜水员又返回到水池边，但那是因为用上了某种跳簧或者弹簧或者起重机。要么潜水员搭乘沙滩车才能返回。或者，再举一个例子，热汤可以自发地变冷，但是冷汤却不能变热，除非从外部热源加热。
另一种表述热力学第二定律的方式是：在一个密闭的系统中——没有外部能源——熵总是趋向于增加。熵是一个系统无序性的度量：越是无序，熵越高。另外，因为熵总是趋向于增加，热能不会从更冷的地方流向更热的地方（分子和原子在更冷的固体中要比在更热的液体和气体中更为有序），因此一般说来，自然过程总是趋向于更大的无序。
在某种程度上这意味着，没有来自太阳的能量，地球很快就会衰竭。最后太阳，甚至可能整个宇宙，会耗尽可用能源而灭亡。或者，换句话说，不管你本周把房间整理得多干净，下周你仍然需要重新整理。
气体运动论
热质说终于在1866年左右走到了尽头，因为麦克斯韦和玻尔兹曼（Ludwig Boltz—mann，1844—1906）各自用不同的方程式描述气体的行为，其完善性超过前人。麦克斯韦说，气体的温度并不反映气体所有分子的运动速率是均匀的，它反映的是这些运动在所有方向和所有速度上的平均统计值。他解释说，当气体加热时，分子运动得更快，互相碰撞也就更多，而碰撞增加了气体的压强。
麦克斯韦妖
1871年，麦克斯韦发明了一个小精灵——后来就叫做麦克斯韦妖——用来说明熵和气体中热运动论的统计性质。想象有一个二室的房子，气体均匀地分布在两室里。两室之间只有一个活动门相通。正如麦克斯韦的理论所描述的，两室中的气体分子，有些运动得很慢，有些则很快。当分子走过时，精灵抓住慢的把它送到另一室，又把另一室的快分子抓住通过活动门送到第一室。用这一方式，最后第一室将充满热（运动快的）分子，而第二室充满冷（运动慢的）分子。如果精灵真的存在（当然是不可能的），加热一间房子就可以不要任何能量。
物理学经过了70年的时间，研究热的本质及其与其他能量形式的相互关系，这才摆脱了18世纪的热质说。基于原子论的威力并且通过运用数学和模型以及仔细的实验，这才获得两个永恒的原理，从而为热力学机制提供了更为扎实深刻的认识。
磁、电和光
1819年，整个欧洲都在用电流做实验，这时奥斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851）正在哥本哈根大学教授物理课。他也不例外，在一次课堂演示中，他拿起一根通电导线，让它靠近一枚磁针。长期以来，关于电和磁的关系一直存在种种猜测。奥斯特也许猜想到了电流和磁铁相互间会有某种效应。果然他是对的。
这是一种突然瞬时的反作用，磁针晃动了，不过不是沿着电流的方向，而是与电流方向垂直。奥斯特改换电流的方向，磁针再次晃动。不过这次方向相反，但仍然与电流方向垂直。
奥斯特第一次在学生面前演示电与磁之间存在的联系，从而打开了一项新研究领地的大门：电磁学。后来证明，这是19世纪最有成效的领域之一。
一个古老的奥秘
电与磁的研究都可追溯到16世纪柯彻斯特的吉尔伯特的工作。吉尔伯特最先引入电力、电吸引和磁极这些名词。在1600年出版的《论磁》中，他论述了自己的研究，因此，人们普遍认为他是电学研究的奠基人。
17世纪，盖里克设计了一个可以产生静电的机器，1745年，马森布洛克（Pieter vanMusschenbroek，1692—1761）和克莱斯特（Ewald won Kleist，1700—1748）独立发现了莱顿瓶原理。不仅在科学上，而且在日常生活中，对电的兴趣普遍高涨，富兰克林对电的极性、电与磁的关系、电对熔融金属的能力等方面作了广泛的研究。
然而，在伏打发明伏打电池以前，还没有办法产生连续稳定的电流，所有的电源都是静态的。在伏打之前，电可以储存，但一瞬间就放电完毕（常常表现为强大的电击形式）。
但是，19世纪却迎来了电学上的伟大突破。一旦用上了电力，不仅会改变人们的生活方式，而且通过对电、磁以及它们关系的新认识，将会产生新的强大理论，从而改变人们对宇宙的看法。沿着这一方向，一位名叫法拉第的年轻人首先迈出了巨大的步伐。
伟大的实验家法拉第
法拉第是科学史中最让人崇拜和尊敬的人物之一，不同于他的同事们，他既没有受过什么教育，也没有闲暇时间。作为英国一位铁匠十个孩子中的一个，除了去学校学会读书写字，法拉第从来就没敢奢望进大学。12岁时，他就开始自己谋生，学校生涯就此结束。但是有些人往往有强烈的好奇心，他们不可法拉第遏止地要探寻这样一些问题，诸如：世界是什么组成的，或者为什么人们以这种方式行事，或者是什么使事物运转。法拉第就是这样一位具有不倦好奇心的人物。他还交了一点好运：找到一份在装订厂里当学徒的工作，就在他为书籍装订封面的同时，还贪婪地阅读书中的文字。他读了《大英百科全书》（Encyclopaedia Britannica）中关于电的文章和拉瓦锡的《化学基础论》。他还读了（并装订了）简·马舍特（Jane Marcet，1769—1858）的《化学谈话》（Conversations on Chemistry），这本书在19世纪初是一本广泛流传的通俗读物。
随后另一个好运降临法拉第生活。一位顾客送给法拉第几张票，是皇家研究所戴维的四次演讲票。法拉第极为高兴，对那四次讲座的全部内容都作了详细记录，他把这些记录装订好后送给戴维，并附上一封希望在研究所当助手的申请书。几个月后，戴维果然给法拉第提供了这份工作。戴维的一个同事说，“让他洗瓶子吧，如果他确实不错，他会接受这份工作；如果他拒绝，那他什么事情也干不成。”这一工作的薪金比法拉第订书的工资要少，但这个机会他正求之不得呢。
不久，戴维在1813年访问欧洲，随身带上法拉第作为秘书和科学助手。尽管戴维的夫人把法拉第当做仆人，但这位年轻人从无怨言，而是利用这个机会见到了科学界的关键人物，其中包括伏打、安培（André-Marie Ampère，1775—1836）、盖吕萨克（Josep Louis GayLussac，1778—1850）、阿拉哥（Arago，1786—1853）、洪堡（Alexander von Humbokit，1769—1859）和居维叶。他们在欧洲各地旅行，从一个实验室到另一个实验室，完成各种实验，参加各种演讲，在这个过程中，法拉第接受了他从未有过的教育。
1815年，他们返回英国，法拉第正式成为实验室助理，负责皇家研究所的矿物收藏和仪器主管。他成了戴维在实验室里的得力助手，因为他灵巧、内行并且投入，经常从早上9点一直工作到晚上11点。几个月后，他的工资增加为年薪100英镑，这一年薪一直保持到1853年。
当法拉第读到奥斯特1820年做的实验后，他和科学界其他人一样，感到非常兴奋。奥斯特的磁针显示，电流不是像大家想的那样，沿着直线从导线的一端流向另一端，而是围绕着导线。巴黎的安培证实了这一思想，他证明，如果两根载流导线平行放置，其中一根处于可随意运动的状态，当两根导线电流方向一致时，它们互相吸引；如果电流方向相反，则互相排斥。
法拉第自己动手做了一个简单的实验。1821年9月，他演示了“电磁旋转”，让载流导线围绕着一块固定的磁铁旋转，同时又让磁铁围绕一根固定的载流导线旋转。这是第一个原始的电动机。
遗憾的是，戴维因此而对法拉第生气了，他声称法拉第窃听了戴维与沃拉斯顿（William Hyde WoUaston，1766—1828）的谈话，因为谈话中涉及类似的实验。法拉第承认他也许受到谈话的启示，但是他的装置有实质上的不同，沃拉斯顿和历史也都承认这一点。
无论如何，这也许是法拉第最不足道的发现，他正在酝酿更大的发现。1822年，法拉第在他的笔记本中写道：“把磁转变为电。”奥斯特用电产生磁（磁针反映了磁力），为什么逆过程不可能发生呢？
法拉第从安培和另一位物理学家斯图根（William Sturgeon，1783—1850）提出的设想开始着手。他先是准备一个铁环，铁环的一部分用线圈缠绕，合上电键即可引入电流。铁环的另一部分也缠绕线圈，然后连接到电流计。他想第一个线圈的电流也许会在第二个线圈中引起电流。电流计可以测量第二个电流并显示结果。
这一想法真的成功了——这正是第一个变压器——但是结果让人有点吃惊。尽管在铁环中有稳定的磁力，但在第二个线圈中却没有稳定的电流通过。取而代之的是，仅当法拉第闭合线路时，第二个线圈才会出现瞬时电流——电流计跳了一下。然后当他再次切断线路时，又产生了瞬时电流，标志是电流计又跳了一下。
由于法拉第不懂数学，他只能形象地解释这一现象，并且提出磁力线这一概念。他注意到，如果在纸片上撒有铁屑，上面放一块强磁铁，轻轻敲击，铁屑就会沿着他所谓的磁力线呈现出某种模式。他想象电流形成某种磁场，从源头向所有方向辐射。当他在实验中合上线路时，力线辐射出去，而第二个线圈则切割了这些力线。这时，第二个线圈里就有感应电流。当他断开线路时，力线“收缩”，第二个线圈又切割了力线，从而再次生成感应电流。他还研究了条形磁铁的力线、像地球一样的球形磁铁的力线和载流导线的力线。这是自从伽利略和牛顿提出机械论宇宙以来，第一次以一种更富创造力的新眼光来看待宇宙，这就是场理论的出现。
1831年，法拉第在皇家研究所的一次大型普及讲座中，用另一种方法演示了力线。他拿起一个线圈，把磁铁插入线圈中。与线圈相连的电流计指针开始晃动，当磁铁的运动停止时，晃动也停止。当他把磁铁取出时，电流计又有显示。磁铁在线圈里面运动，也有显示。如果把线圈移过磁铁，电流计也会显示。但是如果磁铁在线圈中静止不动，电流计就没有电流。法拉第发现了电磁感应原理。也就是说，他发现通过机械运动与磁的结合可以产生电流。这就是发电机的基本原理。［另一位物理学家，美国的亨利（Joseph Henry，1797—1878）也精彩地演示了这一相同的思想，但是他没有及时发表。于是，一心专注于工作的法拉第获得了发现权的荣誉，对此亨利欣然接受］
当然，法拉第下一步的目标就是建造一台能够产生连续电流的发电机，而不是实验中那种断断续续的感应电流。为此他做好一只铜盘，使其边缘在永久磁铁两极间通过。当铜盘转动时，会产生电流，引出电流就可派上用场。通过水轮或蒸汽机推动轮盘转动，流水的动能或者燃料燃烧后的能量就转变成了电能。今天的发电机与法拉第的原始装置已经大不一样，经过50多年的改进它才投入实际应用，但它无疑是迄今最重要的电学发现。
从孩提时代起，法拉第就对自然力和自然现象的相互联系与统一性有深刻的信念，他承认，他在1844年发表的场理论和他对磁、电和运动的相互联系性的探讨，都是围绕这一信念而展开的工作。1845年11月5日，他在皇家学会宣读的论文《论光的磁化和磁力线的启示》一开头写道：
“我长期持有这一观点，几乎就是一种信念，就和许多自然知识爱好者一样：我相信，物质的作用力虽然形式不同，却有共同的渊源；或者，换句话说，它们是如此直接联系和相互依赖，以至于它们都是相互可转化的，并在其作用中拥有同等的能力。”
起初，没有多少人重视法拉第的场理论，但是法拉第对自然统一性的信念被焦耳、汤姆生、亥姆霍兹、克劳修斯和麦克斯韦以多种方式在以后几十年的工作中得到证实。
与此同时，法拉第和戴维之间的关系继续恶化。随着时间流逝，戴维不得不承认法拉第正在超过自己，于是他开始变得忌妒和怀恨。当法拉第的名字报到皇家学会，准备被接纳为会员时，戴维表示反对。尽管戴维一个人投了反对票，法拉第还是在1824年当选为皇家学会会员。1825年，法拉第成了实验室主任，1833年担任皇家研究所化学教授。法拉第是一位温文尔雅、忠于职守的人，他宁可把时间花在实验室里，或在家里陪伴妻子巴拉德（Sarah Barnard），对戴维的行为从不回击。他还有很多的事情要做。丁铎尔（John Tyndall，1820—1893），作为法拉第在皇家研究所的继承人，曾这样形容法拉第：他“是一个容易激动、生性火爆的人，但是经过高度自律，他已经把这种火爆转变成了生命中的闪光和动力，而不是让其耗费在无谓的激动中”。
对于伟大的实验家法拉第，我们深怀敬意，正如英国物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）在1931年所说：
“回顾过去，我们越是研究法拉第的工作，就越是感受到作为一个实验家和自然哲学家，他所具有的那种无与伦比的才能。当我们考虑他的发现和这些发现对科学和工业进步的影响时，实在找不到相称的荣誉来纪念法拉第——这位所有时期里最伟大的发现者之一。”
苏格兰的理论家
麦克斯韦1831年出生，正好这一年，法拉第作出了最有影响的发现——电磁感应。儿童时代，麦克斯韦在数学上非常出色，以至于看起来像是有点反常，同学们叫他痴人。15岁时，他向爱丁堡皇家学会递交了一篇论文，论述椭圆曲线的绘制，论文给人的印象是如此深刻，以至于许多会员认为这不可能出自一位如此年轻的少年之手。在麦克斯韦30多岁时，他已经正确地解释了土星光环的概率特性（1857年），并且独立于玻尔兹曼提出了气体的运动理论（1866年）。
但是他始终对法拉第的工作充满兴趣。1855年12月和1856年2月，24岁的麦克斯韦正在剑桥大学三一学院任研究员，他提交了一篇特殊的论文——《法拉第的力线》。接着，在1864年到1873年之间，麦克斯韦又把他的数学天才用于法拉第对电磁力线的猜测上，他试图为此提供必要的理论根据。
在这个过程中，麦克斯韦提出了一系列简单的方程式来描述磁和电的观察事实，并且证明，这两种力无法分离。这一不朽的工作就是电磁理论，证明磁和电不能单独存在。
麦克斯韦为了支持法拉第的场理论，证明了电磁场实际上是由电流的振荡造成的。他说，这个场从源头以恒定的速度向外辐射，其速率可以从特定的磁学单位和特定的电学单位之比计算得出，结果大约是186300英里每秒。光就是以186282英里每秒的速率传播的——麦克斯韦想，这一巧合太令人惊奇了，它不是偶然。由此他得出结论，光本身一定与振荡着的电荷有关。他的结论是：光就是电磁辐射！他无法证明这一点，但它似乎就是一个有力的预言，这个预言一代以后就得到了证实。
但是麦克斯韦想得更远。他假设，光也许就是以不同速度振荡的电荷所引起的辐射。（已经找到证据，其中有许多是我们看不到的：1800年赫歇尔发现了红外线，是肉眼看不到的；1801年，里特尔在光谱的另一端发现了紫外线，也是肉眼无法看到的。）
1873年，麦克斯韦出版了论述电磁学的《电磁通论》（Treatise on Electricity and Magnetism）。这是一部辉煌的巨著，它为法拉第的场观点，尤其是针对电磁现象的见解，补充了数学的精确性和定量的预测。和场一样，他假设以太作为一种媒质弥漫于空间中，电磁波就在这一媒质中传播，这个假设后来被否定了，但是他的方程组并不取决于以太的存在，它们在“经典”物理学的日常世界中一直有效（尽管不适用于爱因斯坦的相对论物理学或量子力学的世界里）。
历史往往有奇怪的巧合，麦克斯韦1879年去世，这一年正好另一位伟大的理论物理学家爱因斯坦出生。如同麦克斯韦的工作对于19世纪的意义，爱因斯坦的工作也主宰了20世纪初直到现在的物理学。麦克斯韦没有活到能看到他的理论被实验证实，但是这种证据已不太远，不到十年，德国就有一位年轻的物理学家在实验室里做了这件工作。
赫兹的电磁波
赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）是亥姆霍兹的学生，1883年开始对麦克斯韦的电磁场方程组发生兴趣。亥姆霍兹建议赫兹尝试应征柏林科学院在电磁学方面的悬赏，这时赫兹正在卡尔斯鲁厄从事教学工作，他决定接受这个建议。1888年，赫兹设计了一个实验——假如光真的是一种电磁辐射，他的实验就可以检测到长波辐射的存在。他还设计了一种测量波的形状的方法，如果它出现的话。
赫兹成功地证明了电磁波的存在，验证了麦克斯韦方程组的正确性。波出现了，他对波进行了测量。波长是22英尺（66厘米）——相当于可见光波长的一百万倍。赫兹还证明了，他测量的波含有电场和磁场，所以有电磁特性。
后来搞清楚，赫兹找到的并不是光波，是无线电波。马可尼（Marchese GuglielmoMarconi，1874—1937）在1894年把这种波用于无线通信。［无线电（Radio）是无线电报（radiotelegraphy）的缩略语——无线电报是通过辐射而不是电流发送的电报。］
赫兹成功地证明了电磁波的存在，验证了麦克斯韦方程组的有效性。物理学中又一团大大的困惑有了着落。
纵观19世纪，一个新的模式开始出现在物理学中，这就是先提出一个设想，再通过实验来验证，再由数学理论予以强化。这是一个三重过程，越来越受到科学家的认同，它适合于迈尔和焦耳的热当量工作，法拉第、麦克斯韦和赫兹的电磁学工作，还适合于杨和菲涅耳对光本性的认识。
19世纪最惊人的成就是通过许多人之手——以及法拉第和麦克斯韦的特殊才能——不断理清思路，从而认识到这一伟大的潜在力量——电和磁。法拉第的电动机、变压器和发电机，几乎触及我们生活的每一个方面。而场理论和电磁学这样一些基本观念，其重要性不失为人类研究宇宙特性的历史长河中最有效的见解。
天空与地球
有史以来，人类一直在观察天空，试图理解他们在夜空中看到的点点繁星。自从哥白尼发表日心说，开普勒发表有关行星轨道的工作以及康德在18世纪对星云的研究以来，到了19世纪，理论已经走过了一段漫长的道路。
自从伽利略在1610年首先把望远镜用于天文学以来，关于宇宙的研究迈出了巨大的一步。现在天文学家已经探明木星的四大卫星、土星光环和月亮的表面。到18世纪，由于望远镜的改进，威廉·赫歇尔发现了第七颗行星——天王星，这是自古代以来首次看到的新行星。不过天王星的轨道有些奇怪，这一遥远的漫游者似乎暗示至少还有一个行星存在于太阳系。但是它在哪里呢？
此外还有其他的问题困惑着天文学家。18世纪梅斯尔详尽列出的星云究竟是什么？它们也许离得太远，以至于在望远镜里看上去只是一个斑点？或者它们会不会就是有人所假设的气体云？怎样才能弄清楚？太阳是由什么组成的？恒星呢？
更好的检测方法是获得进展的关键。人们需要更高的精确度，更有效的计算方法和更好的仪器。为了回应这一挑战，许多富有激情、奉献精神和聪慧机敏的头脑被吸引到这个领域。但是在19世纪里，有两项非凡进展大大推动了天文学家的工作：一项令人惊奇的技术是（通过光谱仪）可以测定恒星由什么组成，另一项技术是（用1826年发明的照相术）可以记录望远镜所指向的天体。
看得更好
19世纪天文学的进展很大程度上可追溯到一家光学店，那里有一位执著的“磨镜师，”他的名字叫夫琅和费。在当时的化学、物理学或天文学界，这一名字无人不知。正如前文所述，这位曾经身无分文的孤儿不仅发现了以他名字命名的光谱线，而且还因他那精心磨制的透镜和做工精细、包装在摩洛哥红皮革里的望远镜而闻名遐迩。
德国天文学家贝塞耳（Friedrich Bessel，1784—1846）应用夫琅和费的一台望远镜，第一次成功测量了一颗名叫天鹅座61星的距离。天文学家在3个世纪里，一直在试图测定任一恒星的视差。视差是指从两个不同地点看同一个天体在位置上的表观移动。测定了视差，天文学家就可以利用三角测量法确定恒星到地球的距离。但是恒星距离如此之远，即使从地球轨道相差6个月的位置进行测量（这是地球上的天文学家所能得到的最大基线），也从未得到满意的结果。贝塞耳选择了天鹅座61星，是因为这颗恒星虽然较为暗淡，却有比较快的固有运动（恒星相对于固定背景的表观运动），在所有恒星中，它的这一运动速度最快。他训练可信赖的夫琅和费从事这项工作，用了一台名叫太阳仪的特殊仪器——由他自己亲自设计，并由夫琅和费制作。通过耐心细致的长期观测，贝塞耳测量到了天鹅座61星微小的位移，这样就能把它的位置与附近更为暗淡的另外两颗恒星相比较。令他惊奇的是，天鹅座61星的视差表明，它距离地球大约相当于现在所说的6光年，而牛顿认为这个距离大约相当于现在所说的2光年，所以这一发现大大改变了天文学家对宇宙尺度的观念。
1838年，贝塞耳宣布这一成果，哥白尼的谜团再次得到有力澄清，哪怕是恒星有极小的视差，也说明了地球是在太空里运动。
贝塞耳还用他的太阳仪观察了两颗恒星：天狼星和南河三。这两颗星都有微小的偏差，无法解释成视差，也许更像是在颤抖。1841年，贝塞耳假设这两颗星分别围绕着一个看不见的伴星在旋转。
故事的其余部分属于第二位精密透镜制作者马萨诸塞州的克拉克（Alvan Clark，1832—1897）。他和夫琅和费一样，做出了世界闻名的透镜。1862年的一个夜晚，克拉克正在测试他和他父亲正在加工的18英寸透镜，这时他对准天狼星，认出了这颗星附近的一个微小的光斑，这正是21年前贝塞耳预言的伴星。
用克拉克的望远镜还作出了两项重大发现。1877年，火星正处于近地点时，康涅狄格州的霍尔（Asaph Hall，1829—1907），在他夫人斯提克里（Angelina Stickney）坚持“再试一个晚上”的请求下，发现了火星的两颗卫星。1892年，巴纳德（Edward Emerson Barnard，1857—1923），发现了木星的第五颗卫星，这是三个世纪以来的第一次发现。
罗塞的第三伯爵帕森斯（William Parsons，1800～1867），用他自己的巨型72英寸反射式望远镜（名为利维坦，意为巨兽）也作出了重要发现，他从1842年开始在爱尔兰他的庄园里自行建造这台巨型望远镜，1845年完成并准备开始观察。然而他的家乡总是雾天，直到1848年罗塞伯爵才有可能研究巨蟹座星云。这是他起的名字。他识别了好几个旋臂状的天体，后来证明是非常遥远的星系。
与此同时，夫琅和费和克拉克在改进透镜上的成功，激励了好几台反射式巨型望远镜在19世纪末建造成功，其中包括1888年在加利福尼亚州的里克天文台建造的一台36英寸孔径的望远镜；一台在芝加哥附近的孔径为40英寸的耶基斯天文台，由克拉克监制，1897年开放，现在仍在使用。
遗失的行星
当古人环视夜空时，他们看到了称之为“漫游者”的天体，这就是行星，它们以奇特的方式穿越天空，分别被取名为水星、金星、火星、木星与土星。当然，今天我们知道地球也是行星，但是当时没有人认为它是行星。威廉·赫歇尔在1781年发现天王星令所有人大跌眼镜。（实际上，他并不是第一个看见天王星的，这颗星不需要望远镜就可以看见。但他确是第一个证实了天王星是行星。）威廉·赫歇尔运用系统搜索、出色的望远镜和优秀的眼力，并且得到他妹妹凯洛琳·赫歇尔的帮助。
但是也许还有更多的行星。许多天文学家被水星轨道的偏离现象所困扰，威耶（Urbain-Jean-Joseph Le Verrier，1811—1877）确信，这一现象可用水星和太阳之间存在另一个行星来说明。经过计算，预言它的轨道和尺寸（直径1000米），还给它起了一个名字，叫做祝融星（Vulcan）。但是，尽管很多天文学家试图去寻找，却始终没有发现。（爱因斯坦后来解释了为什么水星的轨道不符合牛顿物理学，与另外一颗行星的存在无关。）
天王星的轨道也有同样的问题。威耶的运气则要好得多。他再次进行数学计算并列出方程组。然后，他和柏林的伽勒（Johann Galle，1812—1910）联系，告诉他什么位置可以找到。1846年9月23日，几乎就在威耶指出的地方，伽勒幸运地发现了新行星——海王星，它是和天王星大小差不多的另一颗巨星。这一发现是天文学作为一门科学的胜利。
正如曾经发生过的，往往会有不止一位科学家热衷于同一现象，而要获得发现者殊荣，则取决于运气。就海王星这一例子，剑桥的亚当斯（John Couch Adams，1819—1892）在伽勒发现之前几个月也曾作出同样的计算，但是他没有获得望远镜的支持。
夫琅和费谱线
当39岁的夫琅和费在1826年6月7日去世时，他留下的遗产不仅有那些精致的透镜，而且还有许多神秘的谱线。后来在1859年，基尔霍夫和本生宣布发明光谱仪，于是有了一系列元素的发现。
一天傍晚，基尔霍夫和本生正在海德堡的实验室工作，这时他们看见十英里远处曼海姆城附近大火燃烧。他们把光谱仪瞄准大火，发现从火焰的谱线排列可以检测到现场有钡和锶的存在，即使相隔这样远的距离。本生开始想到，有没有可能让光谱仪瞄准太阳光，检测太阳有什么元素呢？他咕哝道：“但是人们会以为我们疯了，竟然梦想做这样的事情。”
1861年，基尔霍夫把这一想法付诸实验，从太阳发出的光中，他成功地辨认了九种元素：钠、钙、镁、铁、铬、镍、钡、铜和锌。真是令人惊讶，天空中曾经被古人崇敬为神的巨大光源，竟然含有和地球完全一样的元素。基尔霍夫打开了两门新科学的大门——光谱学和天体物理学，同时在地球上的物理学与化学和统治恒星的物理学与化学之间建立了另一种联系。这是又一个极好的例证，说明曾经被认为是完全分离的各个领域原来是互相联系的。
1864年，一位名叫哈金斯（William Huggins，1824—1910）爵士的业余天文学家，首次把光谱仪对准深空天体。他是一位富人，拥有私人天文台，配有望远镜，它们就位于伦敦的山上。他把光谱仪安装在望远镜上，研究两颗亮得可以用肉眼观察的恒星所发出的谱线，这两颗星是毕宿五（金牛座中的一等星）和参宿四（猎户星座中的一等星）。他能够辨认出铁、钠、钙、镁和铋等元素的指痕印证。然后他又试着观察一个星云，带着悬念和敬畏的心情。他在杂志上写道：“难道我不是在深入观察创世这一神秘之处？”也许此刻他将为不同星云理论的对错给出最终判决。
“我透过光谱仪，没有期望中的光谱，只有一根明亮的谱线！……星云之谜就这样解决了。答案就来自于光线本身，这就是，它不是大量恒星的集合体，而是发光的气体。如果恒星遵从与太阳同样的规律，并且属于更亮的等级，就会给出不同的光谱，但这一星云的光显然来自于一种发光气体。”
遗憾的是，哈金斯一开头就走错了路，由于这颗星云是气体状的，他就假设所有的星云，包括椭圆形状和旋臂形状的星云，都是气体组成的。但是，无论如何，第一次把光谱仪用在天文学上确实是一项惊人的成功。夫琅和费线和光谱仪对天文学研究的意义就好比化石对地质学研究的意义，它们为气体星云和恒星的温度、组成以及运动提供了无比珍贵的信息。正如基尔霍夫证明的那样，热的、发光的、不透明的物体会发射连续光谱——彩虹所显现的各种颜色，没有谱线出现。然而，观察一团冷却的气体，在光谱中就会出现吸收暗线。这些暗线揭示了气体的化学成分。但是，如果从一个角度观察气体，看到的会是另一种不同模式。这些工具成了天文学家研究气体星云的罗塞塔石碑。
约翰·赫歇尔是威廉·赫歇尔的儿子，他把他父亲的星表扩展到南半球，库此他做了大量的工作，他也是把摄影术用于天文学和测量太阳能输出的一位先驱者。给恒星照相
约翰·赫歇尔是威廉·赫歇尔的儿子，他第一个认识到摄影术用于天文学的可能性。［其实，摄影术（photography）就是约翰·赫歇尔造的词。］尽管摄影术发明于1826年，但直到19世纪40年代才开始在天文学中应用。一旦引入了这一新工具，摄影术很快就在天文学中流行起来，虽然如今又有计算机的加盟，但摄影术仍然是天文学的关键工具。当然，它的好处就是天文学家再也无须实时工作，他们可以从照片作出判断，也可以在获得照片后，在任意时间里与照相图片打交道。
他们可以用放大镜或望远镜聚焦在特殊的区域，比较不同时间拍摄的照片。它们留下的记录之精确，为任何手工操作所不及，无论一个人的视觉有多敏锐。随着摄影术这一媒介变得越来越方便，它可以让底片在很长的时间里曝光，以捕捉那些甚至用望远镜往往也很难看到的对象。1889年，巴纳德第一次拍摄到了银河系。在以后的岁月里，摄影术成了天文学家越来越重要的工具，现在它已为考察和研究留下了浩瀚的图像数据库。
再次认识太阳
对我们来说，最近也是最重要的恒星当然是太阳，19世纪又有两项发现，使我们增加了对太阳物理学的认识。1843年施瓦伯（Samuel Heinrich Sehwabe，1789—1875）宣布发现太阳黑子的周期性活动。伽利略曾经第一个检测到太阳上有黑子存在，现在施瓦伯认识到它的周期性，这就为太阳的内部机制带来了新的看法。这一发现标志着太阳物理学和天体物理学早期工作的开始。另一个出乎意料的成果是在太阳的组成中发现了一种新的元素，这种元素在地球上从未被检测到过。1868年詹森（Pierre-Jules-Cesar Janssen，1824—1907）在研究太阳光谱线时第一次发现了氦的存在。
与此同时，开尔文勋爵和亥姆霍兹根据他们对太阳内部发光机制的考虑，认为地球的年龄最多是2000万到2200万年。但是，当时的地质学家和生物学家认为的地球年龄却是差异极大。开尔文勋爵为了探询地球的确切年龄，还研究了地磁学、水力学、地球的形状和地球年龄的地球物理学测定方法。他很快发现自己正处于地球年龄争议的中心，因为他估计的太阳年龄只有2000万年，不足以为地球上的生物进化提供足够时间，而诸如赫顿和莱伊尔等地质学家对地球历史则有更长的估算。达尔文在提出进化论时采用的是莱伊尔的数值，他假设地球的地质历史跨度至少是3亿年。最近的21世纪对太阳发热机制的认识支持达尔文，而不是开尔文。
测定地球年龄
地球科学家和天文学家受的是完全不同的训练。尽管矿工和工程师对我们立足的大地早有研究，但是地质学和天文学不一样，作为一门科学它还只是在18世纪以后才开始发展，直到19世纪才达到全面成熟。
18世纪结束时，地质学家们正在进行一场大争论，研究者各执一词，有的主张水成论，有的主张火成论。水成论的主将是杰出的德国地质学家魏尔纳，他主张地球上所有地层都是原始洪水冲积后的沉积物。火成论的主将是苏格兰地质学家赫顿，他认为地球形成的主要驱动机制是内热，以火山爆发的形式周期性地冲出地壳。
在这两大学派中，火成论更为激进。水成论把地球历史看做就是一次唯一性事件的结果，一场巨大的洪水（类似于《圣经》中的诺亚故事），使地球的地壳成为现在这个样子。这跟《圣经》中创世纪故事的字面含义非常吻合。学者们由此得出结论，认为地球年龄不超过6000年。赫顿以及火成论者则相反，他们坚持认为地球历史经历了漫长、缓慢和持续的变化过程。他们认为，如今在地球表面观察到的各种作用力，它们始终在起作用。形成、磨耗和重塑的过程反复上演。其他一些过程也在持续进行，例如，熔岩穿过地壳喷发，玄武岩和花岗岩之类的结晶岩在持续形成，地表上岩石的沉积层在不断堆积。这一观点被认为是激进的和理性主义的（把推理看成是唯一的权威），因而从一开始就饱受怀疑。
法国伟大的比较解剖学家居维叶就是反对者之一。居维叶提出地球历史中的一系列灾变证据，在灾变期间所有物种都灭绝了，然后，新的岩层形成。他说，最近的一次灾变就是圣经中描述的大洪水。
地质学家阿加西斯（Louis Agassiz，1807—1873）也独立主张灾变论，认为地球经历过一段冰期——实际上，有20次冰期——其证据是：现在不存在冰河的地区却出现了某些冰期才有的现象。尽管冰期理论一开始遭到反对，但当证据越来越多时，已逐渐被人们接受。
1790年至1830年这一段时期往往被称为地质学的英雄时期，因为此时的地质学受到来自艺术和哲学中的浪漫主义运动的巨大影响。浪漫主义者拥抱大自然，鼓励探险活动，他们热衷于远离无趣乏味的文明社会，走向未开化的原始荒野。于是，行走于崇山峻岭之中成为时尚，响应这一号召的科学家，投身于变幻无穷的大自然，零距离地面对地壳的形成过程，而在从前他们是绝不可能这样做的。仅当此时，地质学才不再只是单纯地研究矿物学，辨认孤立的岩石标本，而是成为一门大有作为的科学，根据地球历史上曾经发生过的一系列剧变、侵蚀及其重造事件——它们是一段惊心动魄的伟大历史，反映了地球上各种力量的彼此较量——来解读地层。
当然，老顽固们还在抵制。这是一些固守传统方法的地质学家，他们关心的只是这门科学的声望、证据的搜集和理论的完整。浪漫主义者经常与这样的传统地质学家发生冲突，他们把自己看成是捍卫真理的骑士，准备面对由此产生的后果，献身于对大自然的探险事业。
其实，这两种倾向无须按照意识形态划分，它们也没有实质性地影响双方所用的方法。保守、宗教和反革命的心态正是法国革命之后的时代特征，它迫使地质学严格依附于经验主义，也就是说，寻求具有严密证据的理论支持。其结果是，即使受随心所欲的浪漫主义影响的地质学家，在考察岩层和搜集样品时采用的也是和他们的同事们完全一样的方法。
到了1830年，更多的事实已经呈现，从中足以引出理论，同时赫顿的均变论还引起一位富有的年轻苏格兰律师的关注，他对地质学比对法律更为关注。他就是莱伊尔，尽管他是在牛津大学跟一位水成论者学习地质学的，但他在欧洲到处旅行，有机会亲自考察许多岩层。他在研究中得出结论，赫顿是正确的，形成地球历史的各种作用力在时间的长河中始终如一，即便在当代依然行之有效，表现为侵蚀和沉积、加热和冷却等现象。他还广泛阅读——远远超过赫顿——尽管他本人没有作出什么发现，也没有提出自己的理论，但他的巨大贡献是把许多事实汇集到了一起。
他坚持说，只有现在仍然在起作用的地质因素，才可用于解释过去的历史，当然需要假设经历了非常之长的时间。他写道：
“相比于各种先入之见，大大低估已有时间跨度这一作法更是危害地质学的进步，除非我们使自己习惯于思考这一可能性：曾有一个无限久远的年代……否则我们将不幸形成极为危险的地质学观点。”
1830年，莱伊尔出版了《地质学原理》第一卷。其中的一本次年被带上英国皇家海军“贝格尔号”舰，成为旅途中的阅读佳品。这是科学史上最著名的一次航行。
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